JPS62248284A - System of locking frequency and phase for arrangement of lasers - Google Patents

System of locking frequency and phase for arrangement of lasers

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JPS62248284A
JPS62248284A JP62025556A JP2555687A JPS62248284A JP S62248284 A JPS62248284 A JP S62248284A JP 62025556 A JP62025556 A JP 62025556A JP 2555687 A JP2555687 A JP 2555687A JP S62248284 A JPS62248284 A JP S62248284A
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lasers
array
grating
waveguide
phase
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JP62025556A
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ポチ・エー・ヤー
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

発明の背打1 この発明はレーIf制御シスアムに関するものであり、
特に、名目周波数とは異なるIII;l々の動作周波数
以外の均一な名[1周波数を特徴どする2次元配列のレ
ーデに対し共通周波数で)(適位相をrIri ry。 するための技術に関するものである。 ハイパワー位相配列注入レー1fは最近;+17 i・
」二しクト
Backlash of the invention 1 This invention relates to a Ray If control system,
In particular, it relates to techniques for determining the appropriate phase (at a common frequency for a two-dimensional array of radars featuring one frequency) at a uniform frequency other than each operating frequency different from the nominal frequency. The high power phased array implantation beam 1f has recently been developed; +17 i・
”Second Act

【コニクスの分野の研究者にとって調査の目
標となっている。この調査の1つの[1的は様々に応用
するためにコヒーレントハイパワー出力ビームを得るこ
とである。単一のハイパワービームに個々のレーザ出力
をコヒーレン1−に加えることが所望されるなら、14
々のビームの周波数および相対位相は一緒にロックされ
ねばならない。不運にも、いかなる方法も位相配列レー
IFの相対位相を制御lするためには成性に見出されで
いない。lζどえば、約10”H7の名目周波数を有す
る(11L化ガリウム(GaAS)レーデを用いると、
同様の処理設備から形成されるレープの間で3ff遇さ
れる典型的な周波数変動は敗ギガヘルツのオーダであり
、一方異なる成長技術を用いて異なる会社が製造するQ
aΔSレープは数百Vガヘルツだけ名目周波数とは異な
り得る。しばしば各レーザ自体は(のしきい値電流を緑
小眼にするように位相を選択し、多くの場合、これらの
位相は不所望のものである。たとえば、シュドライフ7
−他著の[位相配列ダイオ−トレー)J’ (P ha
sedΔrray  [) t。 de  La5ers ) J 、レープフォーカス(
1−asOrF ocus) 100頁(1984年6
月)参照。 GaAsレー+jのような半導体レー響fは迅速にすべ
てのレーザの間で重要な役割を引き受けている。サイズ
が小さく本来的に設計に融通性があるため、半導体レー
ザは、広a1!な応用に役立つ。多数の半導体レーデか
らの出力を位相ロックする問題は、このように益々IP
、要になりつつある。 多数のレーザが十分近づけて一緒に置かれると、「エバ
ネセント」波形が個々のビームの境界の外に形成され、
その結果エネルギが隣接するレーず間で結合し、そのた
め種々のレーザがηいに十分近づくと周波数および位相
が一緒にロックすることを引き起こす、ということが成
性かられかっていた。これまπ線形配列のためだ番ノに
エバネセント結合を作ることは可能であった、すなわら
、2次元R911で種々のレーデの周波数および位相な
−・緒にロックするためには何か機構が依然と【ノC必
要Cある。 発明の要約 先行技術でのこれらの問題に取組む際、この発明は、共
通の名目1古波数と異なる個々の動作周波数を特徴とす
る1配列のレーザ間で共通の周波数および共通の位相を
確立するための新規な技術を提供する。この発明の技術
は2次元配列の半導体レーI7”に応用できる。シー1
rパワーの一部は共通の周波数および共通の位相を確立
するために転換され、転換パワーの半は名目からの周波
数のずれに従って変化する。 この発明の例示の実施例では、導波路v4T1は配列中
のレーザによって発出されるビームのfF路内に位置決
めされ、ぞの導波路構%に内の復数個の光学的格子は導
波路に沿って伝播していくビームの一部を偏向するよう
にされている。導波路構造の9さおよび格子の周期の長
さは所望の差導伝播を確立するように選択される。導波
路へのビームの偏向部分に加え、各格子は他の格子から
の前の閣導信号の一部を(の関連レーザへと偏向し、こ
うして単一の動作周波数および位相を強制する朴々のレ
ーデの間で交差結合を確立する。 この交差結合をi立するために、格子の周期は実質的に
λ/n、に等しいように設定されかつ導波路コアの厚さ
は少(r くともほぼλ/(4J]「コー2 0.2 
)に等しく、(こではλは簡導t−ドの波長であり、n
、は間導モードに対する実効屈折率であり、かつn、お
よびn、は導波路コアJ3にσココア支持するりプスト
レ−1・に対する屈折の(れぞれの屈折率である。この
光学的格子は導波路の表面での一連の物理的な凹凸どし
て、ホ[]グラフィ格子として、または何か他のビーム
偏向m構により設けられてもよい。格子の有効な深さは
所望される名目周波数と個々のレーデ動作周波数との間
の偏差に正比例し′C圃立され、そのため格子によって
偏向されるビームパワーの(ilは克服されるべき周波
数偏差の^えと相T7に: I!+係りる。各格子に対
する周filは単一の間導モードを生じるように一定の
レベルで設定されてもJ:いし、または複数個の異なる
寓聯[−ドが所望されるならば格子に沿つ【変えられC
もよい。 この発明の主要f、r利点の1つは、線形配列に限定さ
れているよりはむしろ2次元配列での種々のシー1r間
の交差結合およびその結果1キIられる周波数および位
相のロックを達成する、ということである。一実施例で
はこの2次元竹は、レーザを相互に1−分近づけて一方
向に位置決めすることによって半導体レーザで達成され
、隣接するレーザ間のエバネセント結合により隣接する
レーザに対する共通動作周波数および位相をその方向に
確立し、導波路格子はレープ間の共通の動作周波数およ
び位相を別な向きへ確立するように配向される。その代
わり、複数個の格子は各シー11ビームと整列して導波
路に装備されてもよく、各ビームに対する格子は2つの
所望の方向に8)ってビームの一部を偏向するように配
向される。レーザのx−y配列での偏向のために、1対
の格子が導波路構造の対向表面に沿った各配列と整列し
【設けられることも可能ぐある。 この発明は特に半導体レーデとの使用に適している。こ
のEl的のため導波路コアは透明なサブストレート−[
二に生成される@膜を右利には含み、全構造はレー+p
配列自体でモノリシックに集積してもよい。 この発明の付加的な特徴および利点は、添付の図面に言
及する次の詳細な説明からこの技術に熟達した名にとっ
ては明らかである。 1吐匹り眠 この発明の)J礎の動作原理は第1図に例示されており
、そこではレーデ2の配列は、たとえば約8500オン
ゲスi・ロームの名目波長を有するビームを生じる砒化
ガリウム(Ga As ) ’F)4体レーザであり得
ると示されている。放出されたレーデビーム4は、レー
ザビームに対し実質的に透明であるサブストレー1−8
およびリブス[・レートによって保持されかつ支持され
る導波路コア10からなる導波路構造6の方向に向けら
れる。薄膜生成のような種々の技術は1サブストレート
上に導波路コアを形成するために用いられ得る。薄膜生
成技術を説明する良い参考文献は鬼7リフd3よびイr
−(”y’arlv  &  YQh) 苔r結晶体に
おける光波(Optical  Waves in C
rystals ) J 、405−503頁(ジ]ン
・ウィリー・アンド・サンズ社(JohnWilcy 
&  5ons)1984i1:)である。Ga As
半導体レーザでは、サブストーレートは透明なガラスで
よく、かつコアはより高い屈折率を有する別なガラスの
薄膜を含み得る。この目的のため金属をコアガラスの中
に拡散してより高い屈折率を有する「フリント」ガラス
を達成し得る。コア屈折率はここではn2として示され
ており、一方す−ブストレート・屈折率はn、とする。 導波路構造はまた、間導光は通常コア内に完全に閉込め
られることはないがむしろコアの一方の側面のリプスト
レートおよびコアの他方の側面と接触する空気によって
影響をLjえられるという、i口実を化慮した[実効」
屈折率n、を特徴とし得る。 「実効」屈折率n、はコア、ナブス[・レートおよび空
気に対する屈折率の市みづけ組合わせぐありかつ通常n
2より小さいがn、よりも大きい。 導波路コア10はそれぞれのレーザビーム4に整列して
形成された一方の表面上に一連の光学的格子12を含む
。次に:TIに説明されるように、導波路構造は格子1
2がそれぞれのレーザビームの一部を一部して導波路コ
ア10に沿つて聞導伝播さUるような形状にされる。各
レーデビームの大部分は矢印14によって示されるよう
に実質的な偏向なしに導波路構造を通りそこから伝送さ
れる一方、レーザビームのより少ない部分は矢印16に
よって示されるように左右両方に導波路へと偏向される
。典型的には、偏向部分は全ビームの数%にくcる。 各ビームの閏導部分は他のビーム用の格子を通り過ぎる
ので、!!l!!導ビームの一部は第2の格子によって
(の格子に対するレーザへと偏向され、すなわら下向さ
矢印18によっで示される現♀となる。各レーク゛から
生じる?M導ビームの連続部分は、ビームが導波路に沿
って伝播し続けるにつれて1.Lかのレーザへと一部さ
れる。種々の格子はレーク“の各々からのビームの偏向
された部分に対し同様の処置を生じるのひ、交差結合が
種々のレーザ間で確立され、ぞのためイれらのビームの
一部は配列中の他のレー+fへと偏向される。この交差
結合は、種々のシー11間の共通名[」周波数からの個
々の偏差にもかかわら°ず、共通の周波数J3.J:び
t6相について種々のレー督アを効宋的にDツクJ゛る
ことがわかっている。 結果的にちょうど説明された交差結合を!1.じる構造
」−の標準の発見は、この発明の哨要な部分を含む。こ
れらの標準はn l 、n 7 、II 3 %導波路
コアの厚みし、マ導L−ドの伝!工定数β、および種々
の格子の周期へを含む。 格子12のうI5の1つの場所にある導波路コアの拡大
図が第2図に例示される。格子は周期へを有するコアの
上部表面に一連の1′F弦波の凹凸として描かれ【いる
。導波路コアの厚みは(とじて与えられている。レーザ
ビームの1つの閏導部分1Gは、コアの下へ伝播してい
くにつれて、偏向して導波路コアの境界を離れる。間導
ビームは偏向して入来レーザビーム4に対し角度へをな
しで格子12を離れる。格子12に対するシー1アに向
けられるaSビームの偏向部分18は破線によって示さ
れる。偏向ビーム18は入来レーザビーム4に隣接しC
いるように例示され゛【いるが、現実には入来ビームと
は実質的に同軸である。 交差結合および均一なシー11周波数および位相に必要
な条件を確立する関係は次のとおりである。 △−2π/β−△/ n +         1 )
を−λ/<<(7丁2  g−ゴ)   2)これらの
関係は伝播の磁気(1”M)t]−ドおよび電気(TE
)モード双方にあてはまり、その各々はその独特のβを
特徴とする。方程式2)はTEM、、。モードに対する
カットオフでのコアの厚さを表わす。これはコアに容認
されるHA小限のrLさてあり、付加的な伝播モードが
所望されるならば、コアの厚さは相当して増加し得る。 格子の深さは、適当なパワーがJ(通のレーザ周波数お
よび位相を設定するのに十分な交りt結合を確立するた
めにシー1Fビームから導波路へと偏向されるのを確実
とするのに十分な大きさでなければならないが、パワー
のいかなる不必要な損失も回避するために実質的に最小
値よりも大ぎくあるべき−でない。必要どされる格子の
深さは、名目周波数と実際のレーザ動作周波数間の偏差
が増加するにつれて、偏向されたパワー頂の相当する増
加を伴って増加する。典型的な格子の深さはコアの厚さ
lの約10%ないし20%の範囲にある。 1つ以l二のt−ドでの伝播が所望されるならば、格子
の周111は各格子内で幾分変えられ得又、そのための
同一の格子の異なる部分は種々の所望されるモードの伝
播定数に対応する周期を有する。−マなるモードに応答
するために変化する次元を有する導波路構造の設定は飴
通1゛ヂ17−ピング」と呼ばれる。 無数の技術が光学的格子12を形成するために用いられ
+qる。格子は第2図に例示されるように、導波路コア
での物理的凹凸からなるかまたはそれらは「ホログラフ
ィ」格子として形成され#A7る。 後省の試みでは、2つのシーIrビームが干渉パターン
を形成するために導波路表面でηいに角をなし017畳
される。このパターンは次いで物理的凹凸を4jさない
かもしれない光学的格子を形成暖るために処理される。 一連の凹凸の畝および溝が格子を/、fJ定するために
用いられるどき、イれらの実際の側面は三角形、四角形
、またはてれ以外のもののような種々の形態をどりII
る。凹凸は電子ビーム注入またはイオンビーム注入、写
真食刻、または゛[ツチング液の使用のような多数の異
なる方法によって形成され得る。イオン注入の結果とし
て数%のオーダでの屈折率の相対的変化が報告されてい
る。たとえば、タウンピント(T ownsend )
著、5PrE会報、新光学材料(N ew  Ooti
calMaterials) 88頁(スイス、ジュネ
ーブ、1983年4月)を参照のこと。約500オング
ストロームの分解能および妥当な大きさの区域をスキ鵞
!ニングする能力を右づる高精密コンビューク制御イオ
ンビームはまたカリフォルニア州二コーベリー・パーク
のマイクロビーム・イン=1−ボレーアット(M lc
robeam、  I nc、 )のような会社より商
業的に利用i’iJ能にされCいる。特定のイオン種の
選択およびそれらのエネルギは格子の強さを決定する。 第1図および第2図に例示された発明の実施例は導波路
コアに対し直角に配向されたシー1Fビームを利用する
。レーずビームと導波路構造間の他の相対角はまた、(
の範囲内で入射シー1rビームの一部が導波路コアに沿
って偏向されで伝播される限定受入れ角を各格子が自°
するので用いられC51て、一方ビームの残余は導波路
から外へ伝送される。特定の格子に対する受入れ角は一
般に格子の凹凸の周期および側面に依存する。ビームと
格子の間で90度の配向をなして、格子は4波路コアに
沿うただ1つのオーダの回折しか一般に右しない。60
度のようなにり小さい入射角に対し、2つまたはそれ以
−Fのオーダの回折が存在しII1て、そのうらの1つ
だ【)が導波路に沿っている。これに対す゛る例外は1
ブレーズされた」格子であり、それはレーザビームの入
射角が90度より小さいときでづら単一オーダの回折し
か有しない。 注目したように、種々のレーザ間での交差結合の強さは
格子での変調の深さにより決定されるであろう。交差結
合の所与の強さでレーザのすべての周波数おJ、び位相
においで共にロックされ得る範囲内で周波数バンドに対
応している。苦い換えると、シー11間の周波数差がバ
ンド幅の範囲内であるならば、これらのレーザ“の周波
数および位相は共にロックされる。 この発明は、レーザごとに約50ミリワツトの効果的な
パワー限度を右する半導体レーザに対して特に適用され
る。かなりより高いパワーのレー1fhS jL通の周
波数および位相を有する多数の゛V、導体レーザの出力
を結合するためにこの発明を用いることによつC形成さ
れ得る。1種々のレーザの周波数および位相を共に【コ
ックするためにこの発明を用いる2次元半導体レー11
配列が第3図に例示される。レーIJ” 20はx−y
配列状に配置される。。 隣接するレーザはX軸に沿って比較的遠く離れた間隔を
隔°【られ、かつX方向で各対のレーザ間に装置された
結合プリズム22の方にそのそれぞれのレー17’ビー
ムを向ける。、構造のこの形式はりよ−(Liau)信
置、[低しきい値電流および高能率を有する表面発出C
a In AS P/In Pレーザ(Surracc
 Ellittin(l Ca I n As P/ 
I 11PLaser  With I−ow  Th
reshold  Currentand  1lio
h EHiciency )アプライド・フィジックス
・レターズ(△DDIIQd  P hys;as  
+−ctters)、46巻、115頁(1985年)
、8プリズムは、X方向に入射ビームを偏向する格子2
4を用いて、先に説明されたように構成される4波路コ
ア23へ(れらの入射レーザビームを偏向する。 これは共通の周波数およびff’7相で動作づ゛るため
に各X軸に沿ってレーザの各々を交差結合させる5゜レ
ー!/’ Gt X方向にのみビームを発出するのC1
Y方向への隣接レーザ゛はUいに非常に近接しC製作さ
れ1rJる。レーザが共にY方向へ十分に近づ(Jて伯
られるならば、それらは「エバネセント」波の結合によ
りY7J向に共通の周波数おJ:び位相を確X7するだ
ろう。これは各ビームエネルギの範囲の外に存在してい
る「エバネセント」波がそれによって−1分な物理的近
接状f1kにある隣接ビームと結合し、ビームが周波数
と位相で共に[1ツクすることを引き起こす、公知の現
象である。【テ1°ト公知であるようなエバネセント結
合は線形配列でのみ動作し、かつそのこれまでの使用は
そのような配列に限られていた1、この発明では、半導
体レーザのx−y配列は、第3図に波線で示されたよう
に隣接するレーザ周波数および位相はエバネセント結合
を介して一方向ヘロックし、他の方向へ周波数および位
相的にレーザをロックするために示されたように導波路
および格子構造が設置されるようにしている。、神々の
レーI7’は今や両方向に共に結びつけられているので
、全配列でのレーザのすべては本質的に同一の共通周波
数および位相で動作するであろう。 第3図で例示されたシステムは、レーザ20の配列上に
およびそこから間隔をあ【)で物理的に懸Fされた導波
路構造23を右する5、一層:】ンバクトでかつ強固で
ある単一のモノリシックな集積構造を作るために2次元
のレーザ配列のサブストレーt一層へど仝導波路構造を
組込むことはまた可(i!;かもしれない。 令弟4図を魯魚するどこの発明の別の形式がホされでお
り、(こでは格子が一方向用の格子および多方向用の1
バネヒント結合を用いるよりむしろ2次元配列の両方向
ヘレー1jを光学的に結合するために導波路で用いられ
る。この実施例では段数個のレー噌12Gが2次元配列
ひ配置され〈簡略化のためただ1次元のみが第4図で示
され)かつ第1図に示される導波路に等しい導波路構造
28がレーザ配列上に懸下される。導波路構造2Bは先
に説明されたような相対的な屈折率を右する透明なサブ
ストレー1へ30およびコア32を含む。 コア32の上部表面は種々のレーザのためのそれぞれの
ビームと整列された複数個の間隔のあいた格子34を有
する。格子34は、Xh向へ導波路コアに沿ってそれら
のそれぞれのレーIJ”ビームの部分を偏向して伝播し
ていくように形成されている。これは先に説明されたよ
うに、共通の周波数および位相を確立するために同一の
X軸ぐレーザ間での交差結合を引き起こす。第2の組の
格子36は再び各レーザビームと整列された1つの格子
を有しC,導波路コア32のより低い方の表面に与えら
れる。格子36は格子34に対し90度の角度で配向さ
れ、かつ(れらのぞれぞれのレーデビームの部分をY方
向に導波路コア32に沿って偏向しC伝播する。これは
各Y軸に沿ったレーデ間での交差結合およびその結果と
し′て生じるJ(通の周波数および位相を引き起こす1
.(X軸に沿った導波路伝播は矢印38によって示され
、一方でY方向への1云播は矢印40によつ【示される
3、)各X軸に沿ったレーザ′のすべてが、各Y軸に沿
ったレーザがモうするように、共通の周波数および位相
を右するので、2次元配列全体でレーザのす゛べCが共
通の周波数および位相をりえられているという結果にな
る。 前述の説明はレーザ゛がx−y行列C11lL!置され
ているということを仮定している。もらろん、他のレー
ザ配列フォーマット・はri能であり、王の場合種々の
格子の配向は1−に説明された厳格(’h X −V配
列からそれに応じて適合され1ζする9゜2次元レー1
1配列用の共通の周波数およびイ0相を確立するための
シスタムおよび方法の種々の実施例はこのように示され
かつ説明(きれる。無数の変形および代替の実施例は゛
1′i、浅技術に熟達する賃には考えつくであろうが、
この発明は添付の1’:r l+’1請求の範囲に関し
てのみ制限されるということが意図されている。
[It has become a research goal for researchers in the field of conics. One objective of this investigation is to obtain a coherent high power output beam for various applications. If it is desired to add individual laser powers to a single high-power beam into a coherent lens 1-14
The frequencies and relative phases of each beam must be locked together. Unfortunately, no method has yet been found to control the relative phase of a phased array IF. For example, using a (11L gallium oxide (GaAS)) radar with a nominal frequency of about 10"H7,
Typical frequency variations experienced between laps formed from similar processing equipment are on the order of a gigahertz, whereas Q
The aΔS rape can differ from the nominal frequency by several hundred V GHz. Often each laser itself chooses phases to make the threshold current (green) and often these phases are undesirable. For example, the Sudryf 7
- [Phase array diode tray] J' (P ha
sedΔrray [) t. de La5ers) J, Leb Focus (
1-asOrFocus) 100 pages (June 1984)
month) reference. Semiconductor lasers such as GaAs lasers are rapidly assuming an important role among all lasers. Due to their small size and inherent flexibility in design, semiconductor lasers have a wide range of a1! Useful for various applications. The problem of phase-locking outputs from multiple semiconductor radars is thus increasingly
, is becoming essential. When a large number of lasers are placed close enough together, an "evanescent" waveform is formed outside the boundaries of the individual beams,
It has been hypothesized that the result is energy coupling between adjacent lasers, thereby causing the various lasers to lock together in frequency and phase when they are close enough to each other. It has now been possible to create evanescent couplings for pi-linear arrays, i.e., in a two-dimensional R911, the frequencies and phases of the various radars must be locked together by some mechanism. There is still [ノC necessary C. SUMMARY OF THE INVENTION In addressing these problems in the prior art, the present invention establishes a common frequency and a common phase between an array of lasers characterized by a common nominal wavelength number and different individual operating frequencies. Provide new technology for The technology of this invention can be applied to a two-dimensional array of semiconductor rays I7''.
A portion of the r power is diverted to establish a common frequency and a common phase, and half of the diverted power varies according to the frequency deviation from the nominal. In an exemplary embodiment of the invention, waveguide v4T1 is positioned in the fF path of the beam emitted by the lasers in the array, and several optical gratings in each waveguide configuration are located in the waveguide. A portion of the beam propagating along the beam is deflected. The width of the waveguide structure and the length of the grating period are selected to establish the desired differentially guided propagation. In addition to deflecting a portion of the beam into the waveguide, each grating also deflects a portion of the previous guiding signal from the other gratings into the associated laser, thus enforcing a single operating frequency and phase. To establish this cross-coupling, the period of the grating is set to be substantially equal to λ/n, and the thickness of the waveguide core is small (r). Both are approximately λ/(4J) "Ko2 0.2
), where λ is the wavelength of the simplified t-do and n
, is the effective refractive index for the interconducting mode, and n and n are the respective refractive indices of the refraction for the σ cocoa support in the waveguide core J3. may be provided by a series of physical asperities on the surface of the waveguide, as a photogravity grating, or by some other beam deflection structure.The effective depth of the grating is determined by the desired depth. Directly proportional to the deviation between the nominal frequency and the individual radar operating frequency 'C' of the beam power deflected by the grating (il is the frequency deviation to be overcome and phase T7: I!+ The circumference fil for each grating can be set at a constant level to yield a single intermediate mode, or it can be set at a constant level to yield a single intermediate mode, or it can be set at a constant level along the grating if several different allegories are desired. [changed C
Good too. One of the main advantages of this invention is that it achieves cross-coupling between the various seams in a two-dimensional array, rather than being restricted to a linear array, and thus achieves frequency and phase locking. That is to say. In one embodiment, this two-dimensional bamboo is achieved with semiconductor lasers by positioning the lasers 1 minute closer to each other in one direction, and evanescent coupling between adjacent lasers provides a common operating frequency and phase for adjacent lasers. established in that direction, the waveguide grating is oriented to establish a common operating frequency and phase between the rapes in the other direction. Alternatively, a plurality of gratings may be installed in the waveguide in alignment with each beam, with the grating for each beam oriented to deflect a portion of the beam in two desired directions. be done. For deflection of the laser in an x-y array, a pair of gratings may be provided aligned with each array along opposing surfaces of the waveguide structure. The invention is particularly suitable for use with semiconductor radars. Because of this El, the waveguide core is made of a transparent substrate - [
The right-hand side includes the @ membrane generated in the second phase, and the entire structure is ray+p.
The array itself may be monolithically integrated. Additional features and advantages of the invention will be apparent to those skilled in the art from the following detailed description, which refers to the accompanying drawings. The principle of operation of the J cornerstone of this invention is illustrated in FIG. 1, in which the Radhe 2 array is constructed using, for example, a gallium arsenide (gallium arsenide) beam which produces a beam with a nominal wavelength of approximately 8500 Å. GaAs)'F) It has been shown that it can be a four-body laser. The emitted laser beam 4 passes through a substray 1-8 which is substantially transparent to the laser beam.
and a waveguide structure 6 consisting of a waveguide core 10 held and supported by ribs. Various techniques can be used to form the waveguide core on one substrate, such as thin film production. Good references to explain thin film production techniques are Oni 7 Riff D3 and Ir.
-("y'arlv & YQh) Optical Waves in C
rystals) J, pp. 405-503 (John Wilcy & Sons)
& 5ons) 1984i1:). GaAs
In a semiconductor laser, the substrate may be a transparent glass and the core may include a thin film of another glass with a higher index of refraction. For this purpose, metals may be diffused into the core glass to achieve a "flint" glass with a higher refractive index. The core index of refraction is designated here as n2, while the core index of refraction is designated as n. The waveguide structure is also characterized in that light guidance is usually not completely confined within the core, but rather influenced by the lip rate on one side of the core and the air in contact with the other side of the core. i [effectiveness] that takes into account the pretext
It may be characterized by a refractive index n. The "effective" refractive index, n, is a commercial combination of the refractive index for the core, nub [rate, and air] and is usually n.
Less than 2 but greater than n. Waveguide core 10 includes a series of optical gratings 12 on one surface formed in alignment with respective laser beams 4 . Then: the waveguide structure is grating 1 as described in T.I.
2 is shaped so that a portion of each laser beam is propagated along the waveguide core 10. A large portion of each laser beam is transmitted through and out of the waveguide structure without substantial deflection, as shown by arrow 14, while a smaller portion of the laser beam is transmitted through the waveguide structure on both the left and right sides, as shown by arrow 16. deflected towards. Typically, the deflection portion is a few percent of the total beam. The guiding part of each beam passes through the grating for the other beams, so! ! l! ! A portion of the guided beam is deflected by the second grating into the laser for the grating, i.e. the current shown by the downward pointing arrow 18.Successive portions of the guided beam arise from each rake. is fractionated into a 1.L laser as the beam continues to propagate along the waveguide. H. A cross-coupling is established between the various lasers so that some of their beams are deflected to other lasers in the array. It has been found that, despite the individual deviations from the common frequency, it is possible to efficiently drive various radars for a common frequency J3.J: and t6. The discovery of standards for the just-described cross-coupling !1.structures''--contains a key part of this invention. , the conduction coefficient β of the waveguide L-de, and the period of the various gratings. An enlarged view of the waveguide core at one location I5 of the grating 12 is illustrated in FIG. is depicted as a series of 1'F sinusoidal asperities on the upper surface of the core with a period of 1. The thickness of the waveguide core is given by As it propagates down the core, it is deflected and leaves the boundary of the waveguide core.The guided beam is deflected and leaves the grating 12 at an angle to the incoming laser beam 4. The deflected portion 18 of the aS beam directed toward A is indicated by a dashed line.The deflected beam 18 is adjacent to the incoming laser beam 4 and is directed toward C.
However, in reality, it is substantially coaxial with the incoming beam. The relationships that establish the necessary conditions for cross-coupling and uniform See 11 frequency and phase are as follows. △-2π/β-△/n+1)
-λ /
) modes, each of which is characterized by its unique β. Equation 2) is TEM, . Represents the core thickness at cutoff for the mode. This is the HA limit rL allowed for the core, and if additional propagation modes are desired, the core thickness can be increased correspondingly. The depth of the grating ensures that adequate power is deflected from the sea 1F beam into the waveguide to establish sufficient cross-coupling to set the laser frequency and phase of J. but should not be substantially greater than the minimum value to avoid any unnecessary loss of power.The required grating depth is As the deviation between and the actual laser operating frequency increases, it increases with a corresponding increase in the deflected power peak.A typical grating depth is approximately 10% to 20% of the core thickness l. If propagation in more than one t-mode is desired, the perimeter 111 of the grating can be varied somewhat within each grating, and therefore different parts of the same grating can be The configuration of a waveguide structure with a period corresponding to the propagation constant of the desired mode.The configuration of a waveguide structure with dimensions that change in response to the desired mode is called ``ping''.A myriad of techniques are available. are used to form an optical grating 12. The gratings may consist of physical asperities in the waveguide core, as illustrated in FIG. 2, or they may be formed as "holographic" gratings. In a later attempt, two C-Ir beams are folded into an angle at the waveguide surface to form an interference pattern. This pattern is then folded into an optical structure that may not have physical asperities. While a series of uneven ridges and grooves are used to define the grid, their actual sides may be triangular, square, or other than ridges. Taking on various forms like objects II
Ru. The asperities can be formed by a number of different methods, such as electron beam or ion beam implantation, photolithography, or the use of etchants. Relative changes in refractive index on the order of a few percent have been reported as a result of ion implantation. For example, Townpinto (Townsend)
Author, 5PrE Newsletter, New Optical Materials (New Ooti
calMaterials) page 88 (Geneva, Switzerland, April 1983). A resolution of about 500 angstroms and a reasonably sized area! High-precision conbuque-controlled ion beams are also available at Microbeam Inn = 1-Boleyat (Mlc) in Nico Berry Park, California.
It has been made commercially available by companies such as Robeam, Inc.). The selection of specific ionic species and their energies determine the strength of the lattice. The embodiment of the invention illustrated in FIGS. 1 and 2 utilizes a sea 1F beam oriented perpendicular to the waveguide core. The other relative angle between the laser beam and the waveguide structure is also (
Each grating has a limited acceptance angle within which a portion of the incident sea 1r beam is deflected along the waveguide core and propagated at .
Therefore, C51 is used, while the remainder of the beam is transmitted out of the waveguide. The acceptance angle for a particular grating generally depends on the periodicity and sides of the grating's asperities. With a 90 degree orientation between the beam and the grating, the grating generally exhibits only one order of diffraction along the four-wave core. 60
For very small angles of incidence, such as degrees, there are two or more diffraction orders of -F, one of which is along the waveguide. The exception to this is 1
A "blazed" grating, it has only a single order of diffraction when the angle of incidence of the laser beam is less than 90 degrees. As noted, the strength of cross-coupling between various lasers will be determined by the depth of modulation in the grating. This corresponds to a frequency band within which all frequencies and phases of the laser can be locked together at a given strength of cross-coupling. In other words, the frequencies and phases of these lasers will be locked together if the frequency difference between them is within the bandwidth. By using the invention to combine the outputs of a number of V, conductor lasers with a frequency and phase common to lasers of much higher power. A two-dimensional semiconductor laser 11 using the present invention to co-cook the frequencies and phases of various lasers.
The arrangement is illustrated in FIG. ray IJ” 20 is x-y
Arranged in an array. . Adjacent lasers are spaced relatively far apart along the X-axis and direct their respective laser 17' beams toward a coupling prism 22 disposed between each pair of lasers in the X-direction. , this form of structure is proposed by Liau [Surface-emitting C with low threshold current and high efficiency]
a In AS P/In P laser (Surrac
Ellittin (l Ca I n As P/
I 11PLaser With I-ow Th
reshold Current and 1lio
h EHiciency) Applied Physics Letters (△DDIIQd P hys;as
+-ctters), vol. 46, p. 115 (1985)
, 8 prisms are grating 2 which deflects the incident beam in the X direction.
4 is used to deflect their incident laser beams into a four-wave core 23 configured as previously described. 5° ray to cross-couple each of the lasers along the axis!/' Gt C1 to emit the beam only in the X direction
The adjacent laser in the Y direction is fabricated very close to U and is 1rJ. If the lasers were brought together sufficiently close together in the Y direction (J), they would establish a common frequency and phase in the Y direction by "evanescent" wave coupling. An "evanescent" wave existing outside the range of , thereby combining with an adjacent beam in physical proximity f1k of -1 minutes, causes the beams to cross together in frequency and phase, as is known in the art. [1] Evanescent coupling, as known in the art, operates only in linear arrangements, and its use to date has been limited to such arrangements. The -y arrangement is shown to lock adjacent laser frequencies and phases in one direction via evanescent coupling, and to lock the lasers frequency and phase in the other direction, as indicated by the dashed lines in Figure 3. The waveguide and grating structures are set up as shown in Figure 3. Since the divine laser I7' is now tied together in both directions, all of the lasers in the entire array have essentially the same common frequency and The system illustrated in FIG. It may also be possible to incorporate a waveguide structure into the substrate layer of a two-dimensional laser array to create a single monolithic integrated structure that is compact and robust. Another form of the invention is shown in Fig. 4, where the lattice is a unidirectional lattice and a multidirectional lattice.
Rather than using spring tip coupling, a waveguide is used to optically couple a two-dimensional array of bidirectional Helleys 1j. In this embodiment, several stages of beams 12G are arranged in a two-dimensional array (only one dimension is shown in FIG. 4 for simplicity) and a waveguide structure 28 equivalent to the waveguide shown in FIG. suspended above the laser array. The waveguide structure 2B includes a transparent substrate 1 to 30 and a core 32 with relative refractive indices as previously described. The upper surface of core 32 has a plurality of spaced gratings 34 aligned with respective beams for the various lasers. The gratings 34 are formed to deflect and propagate portions of their respective rays IJ'' beams along the waveguide core in the Xh direction. A second set of gratings 36 again has one grating aligned with each laser beam, causing cross-coupling between lasers on the same X-axis to establish frequency and phase.C, waveguide core 32 The gratings 36 are oriented at a 90 degree angle to the gratings 34 and deflect a portion of their respective Radhe beams along the waveguide core 32 in the Y direction. This is due to the cross-coupling between the radars along each Y axis and the resulting 1
.. (Waveguide propagation along the As the lasers along the Y-axis exhibit a common frequency and phase, the result is that all of the lasers throughout the two-dimensional array have a common frequency and phase. The above explanation is based on the fact that the laser is an x-y matrix C11L! It is assumed that the Of course, other laser array formats are possible, and in this case the orientation of the various gratings is adapted accordingly from the rigid ('h Dimension Ray 1
Various embodiments of systems and methods for establishing a common frequency and phase for an array are thus shown and described. Numerous variations and alternative embodiments are described in Section 1. A person who is proficient in this may be able to think of
It is intended that the invention be limited only as to the scope of the appended claims.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は配列での種々のレーザのための共通の周波数お
よび脅相を設定するためのこの発明に従っ′C描成され
たレーザ配列おJ、び交差結合の導波路構造である。 第2図は導波路内へおよび導波路から外へレーデビーム
の部分を偏向させるために用いられる格子を例示する拡
大された立面図である。 第3図はエバネセント結合による1次元での、かつ導波
路の手段ににる池の次元でのシー1フ交差結合の成就を
例示するレーザ配列および導波路構造の破断投影図であ
る。 第4図は1対の格子が2つのvlなる方向にビームを偏
向させるために各レーザビームのための導波路に装備さ
れるレーデ配列および導波路構造の概略図である。 図に33いて2はレーデ、4はレーザビーム、6は)1
波路構j告、E〕はサブストレー[・、10は導波路コ
ア、12は光学的格子、14および16はシー1Fビー
ム、18は偏向ビーム、20はレープ、22は結合プリ
ズム、23は導波路コアまたは導波路構造、241よ格
子、26はレーザ、28は導波路構造、30は透明なサ
ブストレート、32は導波路コア、34および36は格
子、38および40は矢印である。 特n出願人 ロックウェル・インターナショナル・コー
ポレーション −へ
FIG. 1 is a laser array and cross-coupled waveguide structure drawn in accordance with the present invention to establish a common frequency and threat phase for the various lasers in the array. FIG. 2 is an enlarged elevational view illustrating a grating used to deflect portions of the Lede beam into and out of the waveguide. FIG. 3 is a cutaway projection of a laser array and waveguide structure illustrating the achievement of Thief cross-coupling in one dimension by evanescent coupling and in the pond dimension by means of a waveguide. FIG. 4 is a schematic diagram of a Rade array and waveguide structure in which a pair of gratings is installed in the waveguide for each laser beam to deflect the beam in two vl directions. In the figure 33, 2 is the radar, 4 is the laser beam, and 6) 1
10 is the waveguide core, 12 is the optical grating, 14 and 16 are the sea 1F beams, 18 is the polarized beam, 20 is the rape, 22 is the coupling prism, and 23 is the waveguide. A core or waveguide structure, 241 and a grating, 26 a laser, 28 a waveguide structure, 30 a transparent substrate, 32 a waveguide core, 34 and 36 a grating, and 38 and 40 arrows. Patent applicant: Rockwell International Corporation

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)名目の周波数からずれがある個々の動作周波数以
外の均一な名目周波数を特徴とするビームを発するレー
ザの配列のための周波数および位相ロックシステムであ
って、 配列中のレーザにより発出されるビームの経路に位置決
めされる導波路構造と、 導波路構造に形成される複数個の光学的格子とを含み、
複数個をなす各格子は配列中のレーザの1つからのビー
ムと整列され、導波路構造の厚さおよび格子の周期は、
各ビームの部分が導波路に沿って伝播し配列中の他のレ
ーザと交差結合するように偏向されるように選択され、
それによってレーザの配列のための共通の動作周波数お
よび位相を確立する、システム。
(1) A frequency and phase locking system for an array of lasers emitting beams characterized by a uniform nominal frequency other than individual operating frequencies that are offset from the nominal frequency emitted by the lasers in the array. a waveguide structure positioned in the path of the beam; and a plurality of optical gratings formed in the waveguide structure;
Each grating in the plurality is aligned with the beam from one of the lasers in the array, and the thickness of the waveguide structure and the period of the grating are
a portion of each beam is selected to be deflected to propagate along the waveguide and cross-couple with other lasers in the array;
A system thereby establishing a common operating frequency and phase for an array of lasers.
(2)レーザが、エバネセント結合が第1の方向に隣接
するレーザのための共通の動作周波数および位相を確立
する配列の第1の方向に互いに十分近接して位置決めさ
れ、かつ格子が配列の第2の方向にレーザ間の共通の動
作周波数および位相を確立するために配向される、レー
ザが2次元配列で配置される、特許請求の範囲第1項に
記載のシステム。
(2) the lasers are positioned sufficiently close to each other in a first direction of the array that the evanescent coupling establishes a common operating frequency and phase for adjacent lasers in the first direction; and 5. The system of claim 1, wherein the lasers are arranged in a two-dimensional array, oriented to establish a common operating frequency and phase between the lasers in two directions.
(3)前記複数個の格子が配列の第1の方向に共通の動
作周波数および位相を確立するために配向され、かつさ
らに導波路構造に形成されかつ配列の第2の方向に配向
される第2の複数個の光学的格子を含み、第2の複数個
をなす各格子が配列中のレーザのうち1つからのビーム
と整列され、導波路構造の厚さおよび第2の複数個をな
す格子の周期は各ビームの一部が第2の方向への導波路
に沿って伝播し、第2の方向に配列中の他のレーザと交
差するために偏向されるように選択され、それによって
配列の第2の方向へレーザ間の共通の動作周波数および
位相を確立する、レーザが2次元配列で配置される、特
許請求の範囲第1項に記載のシステム。
(3) the plurality of gratings are oriented to establish a common operating frequency and phase in a first direction of the array, and further formed into a waveguide structure and oriented in a second direction of the array. 2, each grating in the second plurality being aligned with a beam from one of the lasers in the array, and forming a thickness of the waveguide structure and a second plurality of optical gratings; The period of the grating is selected such that a portion of each beam propagates along the waveguide in the second direction and is deflected to intersect other lasers in the array in the second direction, thereby 6. The system of claim 1, wherein the lasers are arranged in a two-dimensional array, establishing a common operating frequency and phase between the lasers in a second direction of the array.
(4)2つの方向のための格子が導波路構造の両側の表
面に位置決めされる、特許請求の範囲第3項に記載のシ
ステム。
(4) The system of claim 3, wherein gratings for two directions are positioned on opposite surfaces of the waveguide structure.
(5)格子が導波路構造の表面に一連の凹凸をさらに含
む、特許請求の範囲第1項に記載のシステム。
5. The system of claim 1, wherein the grating further comprises a series of asperities on the surface of the waveguide structure.
(6)格子が導波路構造に形成されたホログラフィ格子
をさらに含む、特許請求の範囲第1項に記載のシステム
6. The system of claim 1, wherein the grating further comprises a holographic grating formed in a waveguide structure.
(7)各格子の周期が格子を複数個の異なる導波路モー
ドに応答させるために格子に沿って変えられる、特許請
求の範囲第1項に記載のシステム。
7. The system of claim 1, wherein the period of each grating is varied along the grating to make the grating responsive to a plurality of different waveguide modes.
(8)レーザにより発出されるビームの経路に導波路コ
ア層が上に載っている実質的にレーザ透明な導波路構造
サブストレートと、 交差結合レーザのための共通の動作周波数および位相を
確立するために、ビームの部分を偏向して導波路コアに
沿って伝播しかつ配列中の他のレーザと交差結合するよ
うにコア層で形成されかつそれぞれのレーザビームと整
列される複数個の光学的格子とを含み、 格子の周期が実質的にλ/n_1に等しく、かつコアの
厚さが少なくともおよそλ/[4√(n_2^2−n_
3^2)]に等しく、そこではλが嵩導モードの波長で
あり、n_1が嵩導モードのための実効屈折率であり、
かつn_2およびn_3がそれぞれに導波路コアおよび
サブストレートの屈折率である、名目周波数からずれが
ある個々の動作周波数を除く均一の名目周波数を特徴と
する、ビームを発出するレーザ配列のための周波数およ
び位相ロックシステム。
(8) establishing a common operating frequency and phase for the cross-coupled laser with a substantially laser-transparent waveguide structure substrate overlaid with a waveguide core layer in the path of the beam emitted by the laser; A plurality of optical fibers formed in the core layer and aligned with each laser beam to deflect a portion of the beam to propagate along the waveguide core and cross-couple with other lasers in the array. a grating, the period of the grating is substantially equal to λ/n_1, and the thickness of the core is at least approximately λ/[4√(n_2^2−n_
3^2)], where λ is the wavelength of the bulking mode, n_1 is the effective refractive index for the bulking mode, and
and where n_2 and n_3 are the refractive indices of the waveguide core and substrate, respectively, for a laser array emitting a beam characterized by a uniform nominal frequency, excluding individual operating frequencies that deviate from the nominal frequency. and phase locking system.
(9)光学的格子の実効深さが、名目周波数と個々のレ
ーザ動作周波数の間の偏差に対し正比例して確立される
、特許請求の範囲第8項に記載のシステム。
9. The system of claim 8, wherein the effective depth of the optical grating is established in direct proportion to the deviation between the nominal frequency and the individual laser operating frequency.
(10)導波路コア層がサブストレート層に設置される
薄膜を含む、特許請求の範囲第8項に記載のシステム。
(10) The system of claim 8, wherein the waveguide core layer comprises a thin film disposed on the substrate layer.
(11)導波路構造がレーデ配列とモノリシックに集積
される特許請求の範囲第8項に記載のシステム。
11. The system of claim 8, wherein the waveguide structure is monolithically integrated with the Rade array.
(12)レーザが、1つの方向へ互いに十分に近接して
位置決めされ、隣接するレーザ間のエバネセント結合を
介してその方向へ隣接するレーザのための共通の動作周
波数および位相を確立し、かつ導波路格子が、別の方向
へレーザ間に共通の動作周波数および位相を確立するた
めに配向される、レーザが2次元配列に配置される、特
許請求の範囲第8項に記載のシステム。
(12) the lasers are positioned sufficiently close to each other in one direction to establish a common operating frequency and phase for adjacent lasers in that direction via evanescent coupling between adjacent lasers; 9. The system of claim 8, wherein the lasers are arranged in a two-dimensional array, wherein the waveguide gratings are oriented in different directions to establish a common operating frequency and phase between the lasers.
(13)前記複数個の格子がマトリクスの1つの軸に沿
ってレーザ間に共通の動作周波数および位相を確立する
ように配向され、さらにそれぞれのレーザビームと整列
されかつ配列の別の方向へレーザ間に共通の動作周波数
および位相を確立するように配向された導波路構造に第
2の複数個の光学的格子を含み、レーザが2次元配列に
配置される、特許請求の範囲第8項に記載のシステム。
(13) the plurality of gratings are oriented along one axis of the matrix to establish a common operating frequency and phase between the lasers, and are further aligned with their respective laser beams and lasers in another direction of the array; 9. A second plurality of optical gratings in a waveguide structure oriented to establish a common operating frequency and phase therebetween, wherein the lasers are arranged in a two-dimensional array. The system described.
(14)レーザ配列の2つの軸のための格子が導波路構
造の両側の表面に沿って位置決めされる、特許請求の範
囲第13項に記載のシステム。
14. The system of claim 13, wherein gratings for two axes of the laser array are positioned along opposite surfaces of the waveguide structure.
(15)前記格子が導波路構造の表面に一連の凹凸を含
む、特許請求の範囲第8項に記載のシステム。
15. The system of claim 8, wherein the grating includes a series of asperities on the surface of the waveguide structure.
(16)前記格子が導波路構造に形成されたホログラフ
ィ格子を含む、特許請求の範囲第8項に記載のシステム
16. The system of claim 8, wherein the grating comprises a holographic grating formed in a waveguide structure.
(17)各格子の周期が格子を複数個の異なる嵩導モー
ドに応答させるために格子に沿って変えられる、特許請
求の範囲第8項に記載のシステム。
17. The system of claim 8, wherein the period of each grating is varied along the grating to make the grating responsive to a plurality of different bulking modes.
(18)配列中のレーザの各々により発出されるビーム
の部分を偏向して配列中の他のレーザと交差結合する段
階と、 ビームの非偏向部分をそれぞれの予め定められた経路に
沿って伝送する段階とを含み、名目周波数からはずれが
ある個々の動作周波数を除く均一な名目周波数を特徴と
するレーザの配列のための共通の動作周波数および位相
を確立するための方法。
(18) deflecting and cross-coupling a portion of the beam emitted by each of the lasers in the array with other lasers in the array; and transmitting the undeflected portion of the beam along respective predetermined paths. and establishing a common operating frequency and phase for an array of lasers characterized by a uniform nominal frequency excluding individual operating frequencies that deviate from the nominal frequency.
(19)ビームが導波路でそれぞれの格子に向けられ、
ビームの部分がそれらのそれぞれの格子により導波路に
沿って伝播のために偏向され、かつ各レーザのための偏
向ビーム部分がそれらのレーザのための格子での偏向に
よりさらに偏向されて配列中の他のレーザと交差結合す
る、特許請求の範囲第18項に記載の方法。
(19) the beam is directed to each grating in a waveguide;
Portions of the beam are deflected for propagation along the waveguide by their respective gratings, and the deflected beam portions for each laser are further deflected by deflection in the gratings for those lasers in the array. 19. The method of claim 18 for cross-coupling with other lasers.
(20)各レーザが配列中で残余のレーザのすべてより
も少ないものと交差結合され、さらにエバネセント結合
により前記他のレーザと共通の動作周波数および位相を
確立するために配列中の他のレーザに十分近接させて各
レーザを位置決めする段階を含む、特許請求の範囲第1
9項に記載の方法。
(20) Each laser is cross-coupled to less than all of the remaining lasers in the array and further to other lasers in the array to establish a common operating frequency and phase with said other lasers by evanescent coupling. Claim 1 comprising the step of positioning each laser in sufficient proximity.
The method described in Section 9.
(21)配列中のレーザの各々により発出されるビーム
の部分が導波路に沿って複数個の方向へ偏向され、それ
によって各レーザと他のレーザの2次元配列との間に交
差結合を確立する、特許請求の範囲第19項に記載の方
法。
(21) Portions of the beam emitted by each of the lasers in the array are deflected in multiple directions along the waveguide, thereby establishing cross-coupling between each laser and the two-dimensional array of other lasers. 20. The method of claim 19, wherein:
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